液压传动系统 第5版 课件 第4-6章 容积调速回路分析、蓄能器、典型液压系统分析

第四章容积调速回路分析本章主要内容介绍液压泵和液压马达、液压缸组成的容积调速回路的工作原理及主要工作特性容积调速回路通过改变液压泵和液压马达的排量来调节执行元件的速度。由于没有节流损失和溢流损失，回路效率高，系统温升小，适用于高速、大功率调速系统。容积节流调速是以不同形式变量泵为前提，具有容积调速的基本特征——液压泵输出的流量始终与负载流量相适应，故也纳入本章讨论第一节容积调速回路容积调速回路通过改变液压泵和液压马达的排量来调节执行元件的速度。由于没有节流损失和溢流损失，回路效率高，系统温升小，适用于高速、大功率调速系统。液压缸的速度：液压马达的转速：可见通过改变变量泵的排量来改变进入液压缸的流量，即可达到调速的目的第四章容积调速回路分析

一.变量泵-定量马达、液压缸回路1.变量泵-液压缸调速回路阀2是安全阀，阀3是背压阀，回路为开式回路改变变量泵1的排量可调节液压缸的运动速度回路用于负载变化不大的系统中第四章容积调速回路分析第一节容积调速回路2.变量泵-定量马达调速回路泵的转速

np

和马达排量VM为常数，改变泵的排量Vp可使马达转速nM

随之成比例变化。回路高压管路上有安全阀2，防止回路过载，低压管路上泵7为补油泵，压力由阀6调节改变变量泵1的排量可调节液压马达运动速度第四章容积调速回路分析第一节容积调速回路一.变量泵-定量马达回路2.变量泵-定量马达回路的静特性（1）变量泵的调节特性通常把液压马达的转速nm与变量泵的调节参数xp之间的关系，称为转速特性。Vp是变量泵的排量，Vpmax是Vp的最大值，则泵的理论流量为：泵的实际输出流量为：第四章容积调速回路分析第一节容积调速回路一.变量泵-定量马达回路可见，Δxp1为调节死区，是由泵的内泄产生的2.变量泵-定量马达回路的静特性（2）回路的特性曲线转速特性：qm为马达输入流量转矩特性：功率特性：可见调速方式为恒转矩调节第四章容积调速回路分析第一节容积调速回路一.变量泵-定量马达回路2.变量泵-定量马达回路的静特性（3）恒功率变量泵-定量马达回路的特性曲线马达转速同前面马达的功率恒定，转矩第四章容积调速回路分析第一节容积调速回路一.变量泵-定量马达回路二.定量泵-变量马达回路（1）回路构成泵的转速

np

和排量Vp

为常数，改变马达的排量Vm可使马达转速nM

随之成比例变化。回路中高压管路上有安全阀2，防止回路过载，低压管路上泵4为补油泵，压力由阀6调节改变变量马达3的排量可调节液压马达的转速第四章容积调速回路分析第一节容积调速回路（2）回路的特性曲线马达调节参数：马达转速：马达输出转矩：马达输出功率：可见调速方式为恒功率调节第四章容积调速回路分析第一节容积调速回路二.定量泵-变量马达回路三.变量泵-变量马达回路1.回路构成变量泵可正反向供油，变量马达可正反向旋转调节变量泵或并联马达的排量均可改变马达转速阀5、7分别为马达正反转的安全阀泵4为补油泵，阀6为其调压阀泵4可分别通过阀2、3为低压一侧补油换向阀8和溢流阀9可使低压管路的热油排回油箱第四章容积调速回路分析第一节容积调速回路二.变量泵-变量马达回路2.回路的特性曲线（1）转速特性（2）转矩特性（3）功率特性第四章容积调速回路分析第一节容积调速回路二.变量泵-变量马达回路第二节容积调速回路的速度刚性分析一.容积调速回路的速度刚性分析机械特性方程：速度刚性：回路泄漏系数越大，负载对液压马转速达的影响就越大液压泵的理论流量越小，泄漏所占比重越大，对液压马转速达的影响就越大减少回路各元件的容积损失、提高马达的机械效率、增大马达的排量等都有利于提高回路的速度刚性第四章容积调速回路分析二.速度稳定方法1.流量补偿法利用回路压力随负载的增减来控制泵流量做相应的增减当马达负载增加时，p升高，作用在柱塞1上的力增大，推动泵的钉子向加大偏心距e的方向移动，使泵的流量增大。反之，流量减少第四章容积调速回路分析第二节容积调速回路速度刚性分析

二.速度稳定方法2.压力恒定法利用一能自动调节液流阻力的液动滑阀，实现负载变化时，系统工作压力基本不随负载变化当负载转矩增加时，泵的工作压力p也相应升高,推动液动滑阀阀芯向右移动,使节流口增大，背压减少,维持泵工作压力近于恒定。反之亦然。第四章容积调速回路分析第二节容积调速回路速度刚性分析

第三节容积调速回路主要参数选择一.性能指标1.容积调速回路的转矩放大系数KM是指当液压泵和液压马达在最大调节参数时，马达输出转矩Tm与泵输出转矩Tp之比：2.容积调速回路的传动比i是指当液压泵和液压马达在最大调节参数时，马达输出转矩nm与泵输出转矩np之比：第四章容积调速回路分析

3.容积调速回路的效率ηc是指在输出额定转矩和额定负载下，马达的最高转速nmmax与最低转速nmmin之比：即：变量泵-定量马达回路：马达转速nm与泵的排量成正比，马达转速的最小值取决于Vp减小时泵可能提供的最小稳定流量。即：定量泵-变量马达回路:马达转速nm与马达排量成反比，即：变量泵-变量马达回路：该回路由上述两种回路组合而成，即：第四章容积调速回路分析第三节容积调速回路主要参数选择二.液压泵和液压马达参数的选择1.给定原始参数为原动机的输出功率时设计时，先根据主机对液压系统的性能要求，选择回路方案及泵进出口压差，然后选择泵的结构形式，计算泵的输入功率和排量及马达的排量，并选择相应的效率2.给定原始参数为液压马达的最大输出转矩、转速变化范围和液压泵转速时设计时，先根据主机的性能要求，选择马达的结构形式及回路工作压力，计算出马达的排量和泵的排量第四章容积调速回路分析第三节容积调速回路主要参数选择第四节容积节流调速回路一.限压式变量泵和调速阀的调速回路1.回路工作原理回路采用限压式变量泵1供油，调速阀3确定进入液压缸的流量，并使变量泵输出的流量与液压缸所需的流量自动相适应。这种调速回路没有溢流损失，效率较高，速度稳定性好。改变调速阀中节流阀的通流面积AT的大小，就可以调节液压缸的运动速度，泵的输出流量qp和通过调速阀进入液压缸的流量q1自相适应。

第四章容积调速回路分析2.回路的特性曲线曲线ABC是限压式变量泵的压力－流量特性，曲线CDE是调速阀在某一开度时的压力——流量特性，点F是泵的工作点。回路有节流损失，其大小液压缸工作压力p1有关。当p1=plmax时，回路的节流损失最小(图中阴影面积S1)，p1越小，则节流损失越大（图中阴影面积S2）。第四章容积调速回路分析第四节容积节流调速回路二.差压式变量泵和节流阀的调速回路1.回路工作原理该回路采用了带有先导式滑阀控制的差压式变量叶片泵，在液压缸的进油路上串联一节流阀。当节流阀开口增大时滑阀5左移，节流口b开大，c关小，泵的定子左移，e增大，泵流量增大，液压缸的速度增大，反之亦然在某一稳定工况下，当节流阀3处在某一开口时，变量泵有一稳定流量第四章容积调速回路分析第四节容积节流调速回路2.回路的特性曲线该回路具有良好的稳速特性。当负载增加时，pp增加，缸的泄漏增加，qp减少，阀3的压差减小，滑阀5向左移动，节流口b开大，c关小，泵的定子左移，e增大，泵排量增大，补偿了泵的泄漏，使泵的输出流量回升。回路的效率较高。泵的输出压力和流量始终与负载相适应，故效率较高。第四章容积调速回路分析第四节容积节流调速回路三.负载敏感泵和节流阀的调速回路

1.回路工作原理负载敏感泵由泵4、负载敏感阀1、恒压阀2和变量缸3组成pL为负载所需要的压力，pS为泵的出口压力，也是节流阀5的进口压力，节流阀5的进出口分别与负载敏感阀1的左右腔相通。负载敏感泵有三种状态，即一般工作状态、保压工作状态和空转状态。

第四章容积调速回路分析第四节容积节流调速回路负载敏感泵的三种状态1.一般工作状态：当节流阀5的开口减小，表明负载需求流量减少，此时泵输出的流量大于负载所需要的流量，则阀5的进出口压差Δp=pS-pL增大，推动负载敏感阀1的阀芯向右移动，使泵的出口油液通过阀1左位进入变量缸3的无杆腔，推动泵的变量斜盘倾角减少，泵的输出流量较少，直到达到负载所需求的流量为止。反之亦然。第四章容积调速回路分析第四节容积节流调速回路负载敏感泵的三种状态2.保压工作状态：ps=pL，负载敏感阀1在右腔弹簧作用下处于右位，ps推动恒压阀2阀芯向右移动，泵出口油液通过阀2左位进入变量缸3的无杆腔，使泵的输出流量减少到仅能维持系统的压力，斜盘倾角接近零偏角，泵的功耗最小。3.空转状态：当阀5关死，即负载停止工作时，泵的出口压力仅需为阀1弹簧设置压力，一般只有14bar左右，流量接近为零。第四章容积调速回路分析第四节容积节流调速回路2.负载敏感泵和节流阀的调速回路

负载敏感泵和节流阀组成的调速回路，泵的输出流量始终与负载流量相适应，泵的工作压力ps始终比液压缸的进口压力大一个恒定值，显然，这是一种效率高、调速刚性好的调速回路。目前应用较为广泛。

第四章容积调速回路分析第四节容积节流调速回路第五节容积调速回路的动态性能本节以变量泵-定量马达容积调速为例，用古典控制理论对其进行动态特性分析。一.回路动态方程及传递函数的建立假定：1.液压泵的吸油口和马达的排油口压力为零2.不考虑液压泵和马达之间管路的压力损失3.液压泵和马达的泄漏液流流态为层流4.不考虑液压泵供油的脉动性5.采用在给定平衡点取小增量线性化的方法第四章容积调速回路分析动态方程及传递函数的建立1.流量连续性方程2.马达负载转矩平衡方程3.联立上两式，线性化并拉式变换通常则：第四章容积调速回路分析第五节容积调速回路的动态性能动态方程及传递函数的建立其中：当负载转矩不变时当泵的调节参数不变时W2(S)称为回路的动态速度柔度，其倒数称为回路的动态速度刚度第四章容积调速回路分析第五节容积调速回路的动态性能二.回路动态特性的定性分析1.稳定性分析二阶系统稳定的条件是特征方程的系数全部为正值，即：2.回路速度放大系数KvKv越大，泵对马达转速控制精度越高，增大Vpmax、np和减少Vm均可使Kv增大3.回路的阻尼比λ和B越大，阻尼比越大，有利于系统的稳定性，但耗能增加第四章容积调速回路分析第五节容积调速回路的动态性能二.回路动态特性的定性分析4.回路的固有频率增大K、减小J、V0可使固有频率增大，应综合考虑5.回路的动态速度刚性回路的动态速度刚性是由一个比例环节、一个惯性环节和一个二阶微分环节组成。低频段时，动态速度刚性基本保持不变，当ω>ωh的高频段，负载运动的惯性起到了抵消外加扰动转矩的作用，它阻碍了马达转速的改变。第四章容积调速回路分析第五节容积调速回路的动态性能第五章

蓄能器本章主要内容介绍蓄能用蓄能器回路、吸收脉动的蓄能器回路和吸收液压冲击的蓄能器回路第一节蓄能用蓄能器回路一、蓄能用蓄能器回路1.蓄能器作为辅助动力源回路当执行元件间歇或低速运动时，蓄能器把液压泵所输出液压油储存起来，而在工作循环的某段时间，当执行元件需要高速运动时，蓄能器作为液压泵的辅助动力源，可与液压泵同时供出压力油。1.蓄能器作为辅助动力源的回路双泵与蓄能器联合供油的快速回路第五章蓄能器第一节蓄能用蓄能器回路一、蓄能用蓄能器回路2.保持系统压力的蓄能回路第五章蓄能器第一节蓄能用蓄能器回路一、蓄能用蓄能器回路保压期间液压泵通过卸荷溢流阀1卸载，由蓄能器补偿泄漏，保持系统压力。3.蓄能器作应急动力源的安全回路第五章蓄能器第一节蓄能用蓄能器回路一、蓄能用蓄能器回路当电源中断或动力源发生故障时，二位三通电磁阀复位，靠蓄能器使液压缸活塞返回，系统处于安全状态二、蓄能器容量的计算气囊式蓄能器的三种工作状态：充气状态、充液状态、供油终了状态。第五章蓄能器第一节蓄能用蓄能器回路二、蓄能器容量的计算选择液压泵的依据式中

——一个工作循环中第i段的时间间隔，称时间段——在内的流量第五章蓄能器第一节蓄能用蓄能器回皮囊式蓄能器中的气体可用理想气体状态方程来描述其状态变化规律，即二、蓄能器容量的计算——气体的压力（绝对）——在压力p下的容积—指数，是不随状态改变的常数则：第五章蓄能器第一节蓄能用蓄能器回二、蓄能器容量的计算当蓄能器排油的速度较慢时≥3min如用于补偿泄漏和补偿压力，可按等温过程来计算，即n=1当蓄能器排油的速度很快时（≤1min），如作辅助动力源或应急动力源时，可按绝热过程来计算，即n=1.4第五章蓄能器第一节蓄能用蓄能器回路为减轻蓄能器重量，不能选过小，又不能选得过大，充气压力推荐为可得蓄能器的总容积为第二节吸收脉动蓄能器回路第五章蓄能器回路分析在液压系统中，总是存在各种各样的脉动，因而，在系统中装设蓄能器是消除或减轻压力脉动的有效方法之一。压力脉动往往是由流量脉动引起的，蓄能器可将瞬时流量高于平均流量的部分吸收，所以蓄能器可以吸收压力脉动1.几点假设蓄能器气体状态的变化规律可按绝热过程考虑，即：系统的压力脉动仅由液压泵的流量脉动引起不考虑液体的质量、流量脉动的频率和其它元件对蓄能器吸收脉动效果的影响2.压力脉动系数蓄能器吸收压力脉动回路分析第五章蓄能器回路分析第二节吸收脉动蓄能器回路——脉动压力的最大值——脉动压力的最小值——脉动压力的平均值式中蓄能器吸收压力脉动回路分析整理成：可得：上式表明蓄能器气体容积相对变化量与压力脉动系数的关系第五章蓄能器回路分析第二节吸收脉动蓄能器回路第三节吸收液压冲击蓄能器回路第五章蓄能器回路分析液体在管路内流动时，由于控制阀突然关闭等原因，使液流突然停止流动，液体的动能变成压力能，在阀前产生高压，高压区以压力波的形式在管路内传播，这在液压系统中称压力冲击。当压力升高时，蓄能器可以吸收液体，这就减慢了管路中液体动量变化的速度，从而降低了冲击压力图为吸收液压冲击蓄能器回路简图。这里主要讨论当换向阀突然回复至中位时，阀前压力升高的最大值与蓄能器总容积之间的关系。蓄能器吸收液压冲击回路分析第五章蓄能器回路分析第三节吸收液压冲击蓄能器回路在阀关闭前，阀前管路中液流具有的动能可表示为式中—油液的密度—管子的同流面积—管路的长度—阀关闭前液流的速度蓄能器的气体按绝热过程变化，则气体做压缩功—阀关闭前蓄能器气体的容积—蓄能器吸收液压冲击后其气体的容积式中蓄能器吸收液压冲击回路分析由气体状态方程，可得式中—阀关闭前蓄能器气体的压力—蓄能器吸收液压冲击后气体的压力可得第五章蓄能器回路分析第三节吸收液压冲击蓄能器回路蓄能器吸收液压冲击回路分析整理后得将上式中的、分别以蓄能器的充气压力和蓄能器总容积代替，而以最大容许的冲击压力代替，经整理就可以得出蓄能器容积计算公式为：第五章蓄能器回路分析第三节吸收液压冲击蓄能器回路第六章

典型液压系统分析49本章主要内容介绍液压机、磨床、单斗挖掘机和塑料注射成型机的液压系统特点及典型液压系统第一节液压机液压系统液压机是用来对金属、塑料、木材等材料进行压力加工的机械。通过传动较大的输出力，实现材料的切割、拉伸、压制成型等操作液压机是以压力控制为主的系统,系统压力高、流量大、功率大，有较高的效率

1.液压机的典型工作循环

快进减速接近工件加压保压延时泄压快速回程主缸：活塞上升停止退回辅助缸：52一.液压机液压传动系统的特点第六章典型液压系统分析第一节液压机液压系统目前液压机系统压力常采用20～30MPa，超高压液压机可达100～150MPa主缸工作速度不超过50mm/s、快进速度不超过300mm/s。选择较大的压力，可减小缸径，减小液压机尺寸，系统流量降低。

53第六章典型液压系统分析第一节液压机液压系统一.液压机液压传动系统的特点

2.液压机的工作参数

3.供油方案选择

液压机工作循环中，压力、速度和流量变化较大，泵输出功率也较大，如何实现高效运行？采用高低压泵组，用高压小流量柱塞泵对低压大流量泵组合供油。采用恒功率变量柱塞泵向系统供油。54第六章典型液压系统分析第一节液压机液压系统一.液压机液压传动系统的特点4.回路设计快速行程采用增速回路。快速、慢速转换时采用减速回路，避免冲击。立式液压机应采用平衡回路，保证任意位置停留。为保证工件压制质量及避免冲击，必须设置保压与泄压回路。55第六章典型液压系统分析第一节液压机液压系统一.液压机液压传动系统的特点二.典型液压机系统举例1.2500kN粉末制品液压机液压系统要求工件压制成型后达到规定的密度和尺寸精度，压制力和速度能在较大范围内精确调节，能持续加压和实现双面压制，有足够的顶出力和较高的生产效率。56第六章典型液压系统分析第一节液压机液压系统572500kN粉末制品液压机液压系统第六章典型液压系统分析第一节液压机液压系统582.DYZ630-3液压机二通插装阀液压系统第六章典型液压系统分析第一节液压机液压系统系统由4个集成液压系统组成：进油调压集成块辅助缸集成块主缸下腔集成块主缸上腔集成块第二节磨床液压系统磨床工作台的运动是一种连续往复直线运动，它对调速、运动平稳性、换向精度和换向频率都有较高要求。一.磨床工作台对液压传动系统的要求调速范围广、运动平稳换向制动与起步应平稳，换向精度高端点停留时间在0～5秒内可调微量抖动系统温升低60第六章典型液压系统分析第二节磨床液压系统二.磨床液压系统的特点1.设计参数为保证运动平稳、工作可靠，一般采用低压系统，压力在2MPa以下。流量有速度要求，一般在50L/min以下。612.工作台自动往复运动采用连续换向回路(机动先导阀、液动换向阀、节流器)。第六章典型液压系统分析第二节磨床液压系统3.工作台抖动短行程、高频换向，须对连续换向回路进行改进。4.工作台调速磨床低压、轻载、小功率，多采用回油节流阀调速(形成背压，增至运动稳定性)；对负载变化大的断续磨削，可采用调速阀节流调速回路。62第六章典型液压系统分析第二节磨床液压系统二.磨床液压系统的特点5.液压系统的温升磨床液压系统一般置于机床机身内，须采取措施防止热变形对磨床精度的影响。63普通磨床在装卸工件等辅助时间内，使系统卸荷。增速卸荷回路。功率较大、精度较高的磨床，采用变量泵容积调速闭式回路，根据需要增速辅助油箱和冷却器。大型磨床采用静压导轨，减少摩擦阻力，降低系统压力。二.磨床液压系统的特点第六章典型液压系统分析第二节磨床液压系统64三.M7120A型平面磨床液压系统第六章典型液压系统分析第二节磨床液压系统65泵输出开启状态：开停阀旋转0～120°液压泵经C截面进工作台。工作台经A截面回油箱。调节旋转角度实现调速。采用进、回油调速回路，以回油节流为主。C4通高压油，手摇机构脱离三.M7120A型平面磨床液压系统第六章典型液压系统分析第二节磨床液压系统66泵输出停止状态：开停阀旋转120°液压泵进油被A、C截面封死。泵保压，可向其他元件供油C4经B、A截面会油箱：手摇机构啮合。修整砂轮或调整行程时使用。第六章典型液压系统分析第二节磨床液压系统三.M7120A型平面磨床液压系统67泵输出卸荷状态：开停阀旋转180°液压泵通油箱：卸荷工作台两腔通油箱：浮动C4通油箱：手摇机构啮合第六章典型液压系统分析第二节磨床液压系统三.M7120A型平面磨床液压系统68磨头控制转阀板到连续位置：高压油经F与E截面相通，经管12进入磨头操纵箱。高压油经G截面，管13进入磨头操纵箱。13通高压油：互通阀27通油箱。第六章典型液压系统分析第二节磨床液压系统三.M7120A型平面磨床液压系统69第三节单斗挖掘机液压系统单斗挖掘机在工业、民用等领域有广泛的应用，是各种土石方施工中不可缺少的机械设备。第六章典型液压系统分析第三节单斗挖掘机液压系统70一.挖掘机工作原理动力源：柴油机(液压泵)工作装置动臂(动臂缸)斗杆(斗杆缸)铲斗(铲斗缸)转台回转机构(回转马达)行走装置(行走马达)第六章典型液压系统分析第三节单斗挖掘机液压系统711.工作特点工作循环时间短；各执行机构起制动频繁；负载变化大；振动冲击大；野外作业工作环境温度变化大，维护条件差。二.挖掘机液压系统的特点第六章典型液压系统分析第三节单斗挖掘机液压系统722.技术要求主要执行机构能实现复合动作；有足够的可靠性；较完善的安全保护措施；能充分利用发动机功率、提高传动效率。第六章典型液压系统分析第三节单斗挖掘机液压系统二.挖掘机液压系统的特点733.回路特点执行机构动作频繁，发热大，多采用开式系统。挖掘机各执行元件动作复杂。各执行元件要求能够单独动作或同时动作。多采用双泵双回路供油方式双泵双回路：一个泵供铲斗缸、动臂缸、左行走马达；另一个泵供斗杆缸、回转马达、右行走马达。双泵具有合流功能，只有一个执行元件动作时，双泵能同时向其供油。第六章典型液压系统分析第三节单斗挖掘机液压系统二.挖掘机液压系统的特点744.变量和功率调节方式液压挖掘机通常采用恒功率变量泵与定量马达等组成的变量系统。它能随负载变化而制动改变泵的流量和压力。变量泵一般采用双泵双回路供油，其调节方式分为分功率调节和全功率调节两个基本类型。第六章典型液压系统分析第三节单斗挖掘机液压系统二.挖掘机液压系统的特点75分功率调节变量系统：两个液压泵各有一个恒功率调节器。每个泵只能传递发动机有效功率的50%。只有每台泵都在压力调节范围内(p0≤p≤pmax)工作时才能利用全部功率。每个回路负载一般不相等，因此各液压泵输出流量不相等。第六章典型液压系统分析第三节单斗挖掘机液压系统二.挖掘机液压系统的特点76用一个调节缸同时调节两个液压泵的摆角，两液压泵输出流量相等，有利于执行机构保持同步。泵流量变化取决于两台泵的压力和，只要负载满足(2p0≤2p≤2pmax)，两个液压泵就能保持最高输出功率恒定。某个液压泵可能在超载下运行。全功率调节变量系统：第六章典型液压系统分析第三节单斗挖掘机液压系统二.挖掘机液压系统的特点775.挖掘机回路组合方式液压挖掘机执行元件数目较多，为了便于集中操纵和安装，简化油路连接，往往将若干个单路换向阀、溢流阀、单向阀等组合成多路换向阀。多路换向阀的连接方式分为：串联回路并联回路顺序单动回路第六章典型液压系统分析第三节单斗挖掘机液压系统二.挖掘机液压系统的特点78泵1:回转马达6；左行走马达9;铲斗缸22；调幅辅助缸20泵2:动臂缸19；斗杆缸21;右行走马达8；推土板升降缸11三.WY-100型液压挖掘机液压系统第六章典型液压系统分析第三节单斗挖掘机液压系统79合流回路：合流阀16实现合流

只能实现多路换向阀13所控制的执行元件增速。限速回路：限速阀12实现换向阀13、15的回油均经过限速阀12正常工况下控制油推动12处于作为，回油无节流挖掘机下坡时行走马达负载减小，泵出油压力降低，阀